DE69314876T2

DE69314876T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Kalibrierung eines Temperatursensors

Info

Publication number: DE69314876T2
Application number: DE69314876T
Authority: DE
Inventors: Mehrdad M Moslehi; Habib Najm; Lino A Velo
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1992-08-11
Filing date: 1993-08-11
Publication date: 1998-03-12
Anticipated expiration: 2013-08-12
Also published as: EP0583007A1; KR100276412B1; JP3461868B2; JPH06224206A; EP0583007B1; US5326170A; US5265957A; DE69314876D1; TW287230B; KR940006239A

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf die Sensortechnologie und insbesondere auf Temperaturkalibriervorrichtungen und -verfahren für thermische Herstellungsprozesse für Halbleiterbauelemente.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Zahlreiche thermische Herstellungsprozesse für Halbleiterbauelemente verwenden Temperatursensoren, die eine Kalibrierung in bezug auf zuverlässige und reproduzierbare Standards erfordern. Eine wichtige Gruppe der Bauelementherstellungsprozesse ist die schnelle thermische Bearbeitung (RTP). Die meisten RTP-Reaktoren verwenden kontaktlose Pyrometrie, um die Wafertemperatur zu messen und zu kontrollieren, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist. Es ist jedoch so, daß die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der RTP-Temperaturmessung mittels Pyrometrie in starkem Maße von dem Emissionsvermögen des Wafers abhängt. In der Praxis sind häufige Pyrometriesensorkalibrierungen erforderlich, um eine annehmbare Prozeßreproduzierbarkeit zu erhalten. Diese häufigen gegenseitigen Kalibrierungen werden gewöhnlich durchgeführt, indem getrennte Standardkalibrierungswafer mit daran befestigten Thermoelementen (TC-gebondete Wafer) in die Prozeßkammer gesetzt werden, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist. Die mit Thermoelementen verbundenen Kalibrierungswaf er werden in die Prozeßkammer zwischen ein Quarzfenster und einen Gasduschkopf gesetzt. Jedoch erfordern die mit Thermoelementen verbundenen Kalibrierungswafer äußere elektrische Verbindungen zu den Drähten der Thermoelemente. Deswegen benötigt der Kalibrierprozeß ein manuelles Laden und Herausnehmen der mit Thermoelementen verbundenen Wafer. Dieser manuelle Prozeß ist zeitaufwendig und wegen seines schädlichen Einflusses auf die Anlagenverwendung in einer Halbleiterbauelementherstellungsumgebung nicht geeignet. Dieses Problem tritt noch deutlicher zu Tage, wenn mit Thermoelementen verbundene Wafer mit mehreren verteilten Thermoelementen für die Kalibrierung von Mehrpunkt-Pyrometriesensoren erforderlich sind, die in einer Mehrzonen-Beleuchtungsvorrichtung untergebracht sind. Außerdem sind durch Thermoelemente unterstütze Temperaturkalibrierungen in reaktiven (zum Beispiel oxidierenden) Umgebungen bei höheren Temperaturen ( > 950ºC) nicht geeignet. Das liegt daran, daß die Thermoelementübergänge bei diesen Bedingungen schnell degradieren. Selbst bei inerten Bedingungen besitzen Thermoelemente nur eine begrenzte Lebensdauer. Deswegen weisen mit Thermoelementen verbundene Wafer nur eine begrenzte Lebensdauer auf und können nur während einer begrenzten Anzahl manueller Kalibrierungsdurchläufe verwendet werden. Mit Thermoelementen verbundene Wafer können auch zu Kalibrierungsfehlern (in der Größenordnung von 10ºC oder mehr) führen, die von der örtlich begrenzten Temperaturverschiebung herrühren, die durch Wärmebelastung verursacht wird. Spezielle Verbindungsverfahren sind erforderlich, um die Kalibrierungsfehlerquellen zu minimieren. Handelsübliche mit Thermoelementen verbundene Wafer sind zur Temperatursensorkalibrierung verfügbar. Diese mit Thermoelementen verbundene Wafer sind jedoch teuer. Schließlich können die manuellen durch Thermoelemente unterstützten Kalibrierungen dazu führen, daß Verunreinigungen in die Prozeßkammer gelangen. Das kann zu Verringerungen der Produktionsausbeute der Bauelementherstellung, insbesondere bei kritischen Prozessen wie der Gatedielektrikumsbildung und dem Wachstum epitaxialen Siliziums führen.
Aus Review of Scientific Instruments, Band 63, Nr. 1, Januar 92, New York US, Seiten 188 bis 190; J.-M. Dilhac et al.: "Ge thin-film melting pomt detection for optical pyrometer calibration in a rapid thermal processor" ist es bekannt, daß die Erkennung des Schmelzens eines dünnen Films aus Germanium dazu dienen kann, einen Temperatursensor in einer Prozeßanlage für schnelle thermische Prozessierung zu kalibrieren. Das Reflexionsvermögen einer Mehrfachlagenstruktur auf einem Siliziumwafer wurde in einer Prozeßanlage für schnelle thermische Prozessierung bei 0,6328 µm gemessen. Diese Struktur bestand aus einer dünnen Germaniumschicht, die zwischen SiO&sub2; und Si&sub3;N&sub4;-Schichten lag. Der Wafer wurde thermischen Zyklen in der Nähe des Schmelzpunktes von Germanium (938ºC) ausgesetzt. Der Beginn des Schmelzens des Germaniums, der mit einer abrupten Änderung des Reflexionsvermögens einhergeht, wurde in situ durch überwachen der Intensität eines reflektierten Laserstrahls erkannt.
Aus der US-A-3 077 539 ist ein Strahlungsreferenzstandard zur Bestimmung des relativen Antwortsignals eines Meßinstruments wie eines Pyrometers bekannt. Der Referenzstandard umfaßt eine emittierende Oberfläche, die in Wärmeübertragungskontakt zu einem Körper steht, der geheizt oder gekühlt wird. Der Körper besteht aus einem Material, das einen Phasenübergang aufweist und das beim Abkühlen ein Plateau in seiner Abkühlkurve aufweist, das sich über eine ausreichende Zeitperiode erstreckt, so daß es der emittierenden Oberfläche ermöglicht wird, in ein Gleichgewicht zu kommen und ein konstantes Niveau an Strahlungsenergie zu emittieren.

Aufgaben der Erfindung

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Kalibrierungssystem zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Kalibrierungssystem zu schaffen, das bekannte genaue und reproduzierbare Temperaturkalibrierungspunkte besitzt, die auf konstanten physikalischen Parametern basieren, so daß es keine Anfangskalibrierung erfordert.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein drahtloses Kalibrierungssystem zu schaffen, daß bei automatischen Waferhandhabungsprozessen arbeitet, ohne daß manuelle Handhabung erforderlich ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein drahtloses Kalibrierungssystem zu schaffen, das sowohl in inerten als auch reaktiven Umgebungen arbeitet.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein drahtloses Kalibrierungssystem zu schaffen, das eine erhöhte Lebensdauer aufweist und das wiederholt zur präzisen und reproduzierbaren Temperatursensorkalibrierung verwendet werden kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Die genaue und reproduzierbare Kalibrierung von Wafertemperatursensoren, z.B. durch Pyrometrie, war bisher ein Problem. Allgemein wird gemäß der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kalibrierung wenigstens eines Temperatursensors beschrieben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und das Verfahren der Erfindung umfaßt die Schritte, die im Anspruch 11 aufgeführt sind. Ein Wafer wird vorgesehen, der eine erste Menge an Kalibrierinseln aufweist. Die Elemente bestehen vorzugsweise aus einem Material, dessen Schmelzpunkt in dem Bereich von 150º-1150ºC liegt. Die Vorrichtung läßt sich so betreiben, daß während z.B. eines Kalibrierprozesses, bei dem die Temperatur stufenweise ansteigt, eine sprunghafte Änderung eines Ausgangssignals jedes Temperatursensors bei einer Wafertemperatur hervorgerufen wird, die dem Schmelzpunkt entspricht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es wird nun zur exemplarischen Darstellung auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines bisherigen mit Thermoelementen versehenen Waferkalibrierungssystems, das in Verbindung mit einem Mehrzonensystem zur schnellen thermischen Prozessierung dargestellt ist.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht eines Temperaturkalibrierungswafers gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3a-d sind Querschnittsansichten eines Temperaturkalibrierungswafers gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung während verschiedener Zustände bei der Bauelementherstellung.
Fig. 4 ist eine Draufsicht einer Temperaturkalibrierungsvorrichtung mit zwei verschiedenen Kalibrierungselementen gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht einer Temperaturkalibrierungsvorrichtung mit zwei verschiedenen Kalibrierungselementen gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6a-c sind Querschnittsansichten eines Temperatursensorkalibrierungswafers gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung während verschiedener Zustände der Herstellung.
Fig. 7 ist eine Kurve, bei der während eines langsamen Temperatur/Leistungsanstiegs in einer thermischen Prozeßkammer die von den Temperatursensorkalibrierungswafern abgegebene Strahlungsmenge gegenüber der Zeit aufgetragen ist.
Fig. 8 ist ein Blockdiagramm eines schnellen thermischen Prozessors mit einem drahtlosen Temperaturkalibrierungssystem gemäß der Erfindung.
Fig. 9 ist eine qualitative Darstellung sowohl der von dem Temperatursensorkalibrierungswafer abgegebenen Strahlungsmenge gegenüber der Zeit als auch des Reflexionsvermögens des Kalibrierungswafers gegenüber der Zeit während eines langsamen Temperatur/Leistungsanstiegs.
Fig. 10 ist eine Draufsicht eines drahtlosen Temperaturkalibrierungswafers gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 11a-b sind Querschnittsansichten der vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Entsprechende Bezugszeichen und Symbole in den verschiedenen Figuren beziehen sich auf gleiche Teile, wenn das nicht anders gekennzeichnet ist.

Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden mit Bezug auf einen Reaktor zur schnellen thermischen Prozessierung (RTP), der Pyrometriesensoren zur Wafertemperaturmessung verwendet, erklärt, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist. Die Erfindung kann alternativ dazu auch bei anderen Bauelementherstellungsanlagen und Temperaturmeßverfahren eingesetzt werden, z.B. bei Temperatursensoren, die auf thermischer Expansion basieren, bei akustischen Sensoren, und Sensoren, die auf der Ellipsometrie basieren. Typische Prozesse, die eine genaue Temperaturmessung und -kontrolle erfordern, sind die chemische Gasphasenabscheidung (CVD), die thermische Oxidation und das thermische Ausheizen. Die Anwendung der Erfindung ist jedoch nicht auf Herstellungsprozesse von Halbleiterbauelementen begrenzt. Zum Beispiel kann Sie auch in Verbindung mit Herstellungsprozessen von flachen Bildschirmeinheiten (FPD) verwendet werden.
Im Gegensatz zu bisherigen Vorrichtungen besitzen die Kalibrierungswafer der vorliegenden Erfindung keine Thermoelemente (TCs) und erfordern keine Anfangskalibrierung gegen mit Thermoelementen verbundenen Wafern bevor sie für genaue Pyrometriekalibrierungen (oder Kalibrierungen anderer Temperatursensoren) verwendet werden. Der Kalibrierungswafer dieser Erfindung bietet bekannte genaue Temperaturkalibrierungsstandardpunkte, die auf konstanten physikalischen Parametern basieren. Da es keine Thermoelemente gibt, sind die Kalibrierungswafer drahtlos. Das heißt, daß sie eine automatische Waferhandhabung für den Kalibrierungsprozeß ermöglichen. Es ist keine manuelle Waferhandhabung in einem automatisierten Prozeßreaktor erforderlich. Dieses Merkmal macht den Kalibrierungsstandard dieser Erfindung brauchbar für Produktherstellungsumgebungen. Außerdem können die Kalibrierungswafer dieser Erfindung in wiederholter Weise für zahlreiche Temperaturkalibrierungen sowohl in inerten als auch in reaktiven (d.h. oxidierenden und nitridisierenden) Umgebungen verwendet werden. Verglichen mit herkömmlichen mit Thermoelementen verbundenen Wafern erwartet man von diesen Wafern, daß sie eine deutlich größere Anzahl an Kalibrierungsdurchläufen überstehen.
Die Erfindung kann sowohl auf Standardkalibrierungswafern als auch auf richtigen Bauelementwafern eingerichtet werden. Bei letzteren werden die Temperaturkalibrierungselemente auf die Waferrückseiten gesetzt, so daß jeder Bauelementwafer gleichzeitig als sein eigener Kalibrierungsstandard dient. Bei ersteren können die Kalibrierungselemente entweder auf die Vorderseite der Wafer (polierte Seite) oder auf deren Rückseite gesetzt werden.
Diese Erfindung ermöglicht es, einen oder zwei (oder sogar mehrere) Kalibrierungselementtypen auf jeden Wafer zu setzen. Mit jedem Kalibrierungselementtyp ist eine einzelne bekannte genaue Temperatur verbunden. Wie unten erläutert wird, genügen zwei Kalibrierungstemperaturpunkte (T&sub1; und T&sub2;), um die Pyrometriesensoren in deren Betriebstemperaturbereich sowohl im bezug auf die Steigung als auch den y-Achsenabschnitt zu kalibrieren. Bei dieser Erfindung werden Schmelzpunkte geeigneter Elemente als Kalibrierungstemperaturpunkte verwendet. Die Schmelzpunkte reiner Elemente und von Verbindungen zweier (oder mehrerer) Elemente mit bekannten Verhältnissen sind physikalische Konstanten, die für die Sensorkalibrierung verwendet werden können, wenn Übergänge zwischen den Phasen fest und flüssig während eines Temperaturzyklus auftreten. Diese Phasenübergänge können in Echtzeit durch nichtkontaktierende Mittel erkannt werden, wie es nun beschrieben wird.
Es ist bekannt, daß Elemente verschiedener Materialien abrupte Änderungen ihrer physikalischen Eigenschaften wie ihres optischen Reflexionsvermögens während des Phasenübergangs zwischen der festen und der flüssigen Phase beim Schmelzpunkt zeigen. Zum Beispiel zeigt das optische Oberflächenreflexionsvermögen von Germanium (Ge) eine sprunghafte Änderung (Anstieg), wenn ein Übergang von der festen zur flüssigen Phase beim Schmelzpunkt (Tm = 937,4º für Ge) auftritt. Andere Materialeigenschaften wie der elektrische Widerstand und das Mikrowellenreflexionsvermögen können ebenfalls abrupte sprunghafte Änderungen beim Schmelzpunkt des Materials zeigen. Die für die Zwecke der Erfindung bevorzugt benutzte Materialeigenschaft ist das optische Reflexionsvermögen oder das Emissionsvermögen des Wafers bei den Schmelzpunkten des verwendeten Materials und die damit verbundenen abrupten Änderungen.
In der Fig. 2 ist ein Querschnitt der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der Wafer 30 enthält eine Zwischenschichtstruktur 32, die an ein Substrat 28 entweder auf der Vorderseite oder der Rückseite des Wafers 30 (bevorzugt die Vorderseite) angrenzt. Angrenzend an die Zwischenschichtstruktur 32 werden Inseln 36 aus Kalibrierungsmaterial (z.B. Germanium) hergestellt. Die Zwischenschichtstruktur 32 kann z.B. aus einer Oxidschicht 33 und einer Nitridschicht 34 bestehen, um das Kalibrierungsmaterial der Inseln 36 davon abzuhalten, während der thermischen Kalibrierungsdurchläufe mit dem Substrat zu reagieren. Die Kapselungsschicht 38 bedeckt und isoliert die Kalibrierungsinseln 36. Da die Inseln 36 während der Kalibrierung schmelzen und erstarren, dichtet die Kapselungsschicht 38 jede Insel 36 ab, so daß sie die Kalibrierungselemente 36 beinhaltet. Schließlich liegt die Passivierungsschicht 40 (z.B. Siliziumnitrid) neben der Kapselungsschicht 38. Die Passivierungsschicht 40 verhütet eine Degradation der Inseln 36 in reaktiven Umgebungen wie Sauerstoff.
Mit Bezug auf die Fig. 3a-d wird nun das Verfahren zur Bildung der ersten bevorzugten Ausführungsform beschrieben. Wie in der Fig. 3a dargestellt, werden die Startzwischenbarrierenschichten 33, 34 über dem Substrat 28 des Wafers 30 abgeschieden. Die Zwischenstruktur kann aus einer Ausgangsschicht aus Siliziumdioxid 33 und einer Deckschicht aus Siliziumnitrid 34 bestehen. Die Siliziumschicht 33 kann z.B. eine Dicke von ungefähr 1000 Å aufweisen und sie kann durch chemische Gasphasenabscheidung bei niedrigem Druck (LPCVD) erzeugt werden. Für Fachleute ist ersichtlich, daß stattdessen auch andere Verfahren wie die plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) oder die thermische Oxidation verwendet werden können. Die Siliziumnitridschicht 34 kann auch eine Dicke von ungefähr 1000 Å aufweisen und sie kann durch LPCVD hergestellt werden. Wie für Fachleute ersichtlich, können auch hier andere Verfahren wie die PECVD verwendet werden. Die Zwischenstruktur kann auch aus Schichten anderer geeigneter Materialien, z.B. aus schwer schmelzbaren Metallen, hergestellt werden.
Wie es in der Fig. 3b dargestellt ist, wird als nächstes eine dünne Schicht des gewünschten Kalibrierungsmaterials 35, z.B. Germanium (Ge), abgeschieden. Der Schmelzpunkt Tmi von Germanium beträgt 937,2ºC. Die Abscheidung kann durch verschiedene Verfahren, z.B. durch CVD oder physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) wie Sputtern erreicht werden. Die Kalibrierungsschicht 35 besitzt eine Dicke in der Größenordnung zwischen 200 und 3000 Å ist typischerweise ungefähr 2000 Å dick. Die Kalibrierungsmaterialien werden nach drei Kriterien ausgewählt. Als erstes müssen die Schmelzpunkte in dem interessierenden Temperaturbereich liegen. Typischerweise liegt dieser zwischen 150º und 1150ºC. Als zweites sind hohe Siedepunkte und niedrige Gasdrücke erforderlich, um die Kontaminierung und das streßinduzierte Ablösen der Kapselungsschichten zu verhindern und um zahlreiche Kalibrierungsdurchläufe zu ermöglichen. Schließlich muß das Kalibrierungsmaterial aus geeigneten Elementen oder Verbindungen bestehen, die sich für die Siliziumprozeßtechnologie eignen, um Reaktorkontaminierungen zu verhindern. Die Tabelle 1 zeigt beispielhaft einige Materialien, die für die Zwecke dieser Erfindung bevorzugt geeignet sind. Tabelle 1
Die Kalibrierungsschicht 35 wird dann durch Mikrolithographie und eine Plasmaätzung (oder Naßätzung) strukturiert, um eine Matrix aus Ge-Inseln 36 zu bilden, wie es in der Fig. 3c dargestellt ist. Die Inseln 36 bedecken bevorzugt die gesamte Waferoberfläche, wie es in der Fig. 4 dargestellt ist. Sie können jedoch auch nur einen Teil der Waferoberfläche bedecken. Die typischen Bemessungen der Ge-Inseln betragen 25 µm x 25 µm (Zwischenräume von 2,5 µm zwischen benachbarten Inseln). Es können jedoch auch größere oder kleinere Bemessungen verwendet werden. Die Fig. 4 zeigt die Inseln 36 als Quadrate, es können jedoch stattdessen selbstverständlich auch andere Formen wie Sechsecke verwendet werden. Die Ätze zur Strukturierung des Germaniums kann in Plasmen durchgeführt werden, die Chlor (z.B. Cl&sub2;) oder Fluor (z.B. SF&sub6;) enthalten.
Wie es in der Fig. 3d dargestellt ist, wird eine Kapselungsschicht 38 aus SiO&sub2; (oder Siliziumnitrid) durch LPCVD oder PECVD abgeschieden. Fachleute werden erkennen, daß auch andere Verfahren wie Sputtern verwendet werden können. Eine typische Dicke für die Kapselungsschicht ist 1000 Å.
Als letztes wird die Passivierungsschicht 40 abgeschieden. Die Passivierungsschicht 40 kann z.B. aus ungefähr 1000 Å dickem Siliziumnitrid bestehen und kann z.B. durch PECVD abgeschieden werden. Die Passivierungsschicht 40 verhindert die Oxidation der Kalibrierungselemente während der Kalibrierungsdurchläufe in reaktiven oxidierenden Umgebungen. Die resultierende Struktur ist in der Fig. 2 dargestellt.
Ein Querschnitt der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in der Fig. 5 dargestellt. Der Wafer 30 umfaßt eine gestapelte Zwischenschicht 32 (oder eine einzelne Zwischenschicht), die an das Substrat 28 angrenzend angeordnet ist und entweder auf der Vorderseite oder der Rückseite des Wafers 30 (bevorzugt auf der Vorderseite) liegen kann. An die Zwischenschicht 32 angrenzend liegen Inseln aus einem ersten Kalibrierungsmaterial 36. Die Zwischenschicht 32 kann z.B. sowohl aus einer Oxidschicht als auch einer Nitridschicht bestehen, um das Kalibrierungsmaterial der Inseln 36 davon abzuhalten, während der thermischen Kalibrierung mit dem Substrat zu reagieren. Die Kapselungsschicht 38 bedeckt und isoliert die Inseln 36. Die Inseln des zweiten Kalibrierungsmaterials 46 liegen über der Kapselungsschicht 38. Die Kapselungsschicht 48 umschließt die Inseln des zweiten Kalibrierungsmaterials 46. Schließlich liegt die Passivierungsschicht 40 angrenzend an die Kapselungsschicht 48. Die Passivierungsschicht 40 (Siliziumnitrid) verhindert die Degradation der Inseln 36 und 46 in reaktiven Umgebungen wie Sauerstoff. Eine einzelne Schicht aus Siliziumnitrid kann sowohl für die Kapselung als auch die Passivierung verwendet werden.
Mit Bezug auf die Fig. 6a-c wird nun der Prozeß der Bildung der zweiten bevorzugten Ausführungsform beschrieben. Die Fig. 6a ist eine Querschnittsansicht des Wafers 30 mit den Zwischenschichten 33 und 34, den ersten Kalibrierungsinseln 36 und der Kapselungsschicht 38. Diese Schichten werden auf die gleiche Weise erzeugt, wie es mit Bezug auf die erste bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde.
Wie es in der Fig. 6b dargestellt ist, wird eine dünne Schicht (z.B. 1000 Å) eines zweiten Kalibrierungsmaterials 45 über der Kapselungsschicht 38 abgeschieden. Das kann z.B. durch CVD oder PVD erreicht werden. Das zweite Kalibrierungsmaterial kann z.B. aus Zinn bestehen. Zu den bevorzugten Kombinationen für das erste und zweite Kalibrierungsmaterial gehören beispielsweise Germanium und Zinn, Germanium und Aluminium oder Aluminium und Zinn. Bei Zinn und Germanium (Sn, Ge) beträgt Tm1 ungefähr 237ºC und Tm2 ungefähr 937ºC. Diese Kombination ist geeignet für Sensorkalibrierungen über einen erweiterten Temperaturbereich ohne Kontaminationsprobleme (z.B. für Anwendungen wie der schnellen thermischen Oxidation, dem schnellen thermischen Ausheizen, etc.). Sowohl Germanium als auch Zinn sind Halbleiter der Gruppe IV und werden nicht als Verunreinigungen in Silizium betrachtet. Aluminium und Germanium ist eine bevorzugte Kombination, wenn Tm1 > 400º für die Pyrometersignalkalibrierungen erforderlich ist. Dies liegt daran, daß einige Pyrometriesensoren bei Temperaturen, die unter 400ºC liegen, keine ausreichenden Signalpegel liefern. Zinn und Aluminium liefern einen Wert von Tm1, der ungefähr bei 232ºC liegt und einen Wert für Tm2, der ungefähr bei 660ºC liegt. Diese Kombination läßt sich bei drahtlosen Kalibrierungen für Niedertemperaturprozesse verwenden. Zu den Beispielen gehören Silizidreaktions/Ausheiz-prozesse, die in dem Temperaturbereich von 550º-750ºC liegen.
Nachdem das zweite Kalibrierungsmaterial abgeschieden ist, wird ein zweiter Strukturierschritt durchgeführt, um eine Matrix aus zweiten Kalibrierungsmaterialinseln 46 zu bilden, wie es in der Fig. 6c dargestellt ist. Die Inseln 46 können die gleiche Bemessung aufweisen wie die ersten Inseln 36. Das Muster der Inseln 46 ist derart gestaltet, daß es keine Abschattung der ersten Kalibrierungselemente verursacht. Dadurch wird sichergestellt, daß das durchschnittliche lokale Reflexionsvermögen/Emissionsvermögen des Wafers an einem beliebigen Punkt durch die Reflexionsvermögen beider Kalibrierungselemente bestimmt wird.
Schließlich werden, wie es in der Fig. 5 dargestellt ist, eine zweite Kapselungsschicht 50 und die Passivierungsschicht 40 abgeschieden. Die zweite Kapselungsschicht 50 kann aus SiO&sub2; mit einer Dicke von ungefähr 1000 Å bestehen. Die Passivierungsschicht 40 kann aus Siliziumnitrid mit einer Dicke von ungefähr 1000 Å bestehen. Beide Schichten können z.B. durch PECVD abgeschieden werden. Die Passivierungsschicht 40 wird die Oxidation der Kalibrierungselemente während der Kalibrierungsdurchläufe in oxidierenden Umgebungen verhindern. Sowohl für die Kapselungs- als auch die Passivierungszwecke kann eine einzelne Deckschicht aus Siliziumnitrid verwendet werden.
Die erste bevorzugte Ausführungsform und die zweite bevorzugte Ausführungsform können für drahtlose Temperaturkalibrierungsdurchläufe sowohl für Einpunkt- als auch für Mehrpunktpyrometriesensoren eines RTP-Reaktors verwendet werden. Während des Betriebs können die Kalibrierungspunkte Tm1 und Tm2 durch verschiedene Verfahren erkannt werden. Das bevorzugte Verfahren zum Erkennen der Kalibrierungspunkte Tm1 und Tm2 ist das direkte Erkennen über das Pyrometriesignal oder die -signale. Wenn die Wafertemperatur über Tm2 (oder Tm1) hinaus erhöht wird, führt eine sprunghafte Änderung des Waferreflexionsvermögens zu einer sprunghaften Änderung seines effektiven Emissionsvermögens, und das sich ergebende Pyrometriesignal (die -signale) werden ebenfalls, wie es in der Fig. 7 dargestellt ist, eine kleine sprunghafte Änderung erfahren. Unter der Annahme eines langsamen Temperatur/Leistungsanstiegs (z.B. während eines stufenweisen rückführungslosen Leistungsanstiegs) gilt:
T = µI + b (1)
Wobei,
I der linearisierte Pyrometerausgangsstrom oder die linearisierte Pyrometerausgangsspannung,
T die kalibrierte Wafertemperatur,
µ die Steigung oder der Linearkoeffizient, und
b die Achsenverschiebung ist.
Wenn ein Kalibrierungsmaterial wie bei der ersten bevorzugten Ausführungsform verwendet wird, werden Tm1 und I&sub1; bestimmt. Da die Steigung im allgemeinen aus einem separaten Thermoelementkalibrierungsdurchlauf bekannt ist, kann die Achsenverschiebung aus folgender Gleichung berechnet werden:
b = Tm1 - µI&sub1; (2)
Wenn zwei oder mehrere Kalibrierungsmaterialien verwendet werden, können sowohl die Steigung als auch die Achsenverschiebung berechnet werden, da sowohl Tm1 und I&sub1; als auch Tm2 und I&sub2; bekannt sein werden.
Die drahtlosen Kalibrierungswafer besitzen gewöhnlich das gleiche Rückseitenemissionsvermögen wie tatsächliche Bauelementwafer (obwohl dieses Erfordernis nicht zwingend ist, wenn das Pyrometriesystem außerdem eine Emissionskompensation durchführt). Bei einem Mehrpunkt-Pyrometriesensorsystem kann der gleiche drahtlose Kalibrierungswafer für simultane Kalibrierungen aller Pyrometriesensoren verwendet werden. Für jeden Sensor werden getrennte (Ii1, Tm1) und (Ii2, Tm2) bestimmt werden, und eine separate Steigung (Verstärkung) und Achsenverschiebung kann für jeden Sensor berechnet werden.
Ein anderes Verfahren zur Erkennung der Tm1- und Tm2-Übergänge für Pyrometriekalibrierungen (anstelle des Versuchs, die kleinen sprunghaften Änderungen des Pyrometriesignals zu erkennen) besteht darin, Laserstrahlen 118 von der Vorderseite (oder sogar der Rückseite) zu verwenden, um die Werte des Oberflächenreflexionsvermögens zu überwachen, wie es in der Fig. 8 dargestellt ist. Von jenseits jedes Sensors 1-4 ist ein Laserstrahl 118 auf den Wafer 112 gerichtet. Die Sensoren 1-4 sitzen innerhalb der Mehrfachzonen-Beleuchtungsvorrichtung des RTP-Reaktors und sind durch das Quarzfenster 110 von dem Wafer 112 getrennt. Auf der anderen Seite des Wafers 112 liegt ein Gasduschkopf 114. Bei der bevorzugten Ausführungsform bestehen die Sensoren 1-4 aus Pyrometern. Für Fachleute ist jedoch zu erkennen, daß die Sensoren 1-4 ebenso aus Ellipsometern, Sensoren für thermische Expansion oder akustischen Sensoren bestehen können. Der Laser kann ein kostengünstiger HeNe(6328 Å)-Laser mit Glasfaseroptikkopplung 120 für eine verbesserte Ausrichtung sein. Die Werte des Reflexionsvermögens R&sub1;-R&sub4; werden während des Leistungsanstiegs eines Kalibrierungszyklus unter Verwendung der Detektoren 116 überwacht. Die während eines Kalibrierungszyklus gemessenen Werte des Oberflächenreflexionsvermögens werden an Zeitpunkten, die (Ii1, Tm1) und (Ii2, Tm2) entsprechen, sprunghafte Änderungen erfahren, wie es in der Fig. 9 dargestellt ist. Demgemäß werden Tm1 und I&sub1; und Tm2 und I&sub2; bestimmt und die oben dargestellten Berechnungen für die Steigung (Verstärkung) und den Achsenabschnitt angewendet.
Eine dritte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der Fig. 10 dargestellt. Diese Figur zeigt die Bildung der Kalibrierungselemente auf engen Ringen 60 auf der Rückseite des Wafers 62. Die Ringe können eine typische Breite von 2 mm oder weniger aufweisen und sitzen an radialen Positionen, die den radialen Probenpositionen der Mehrpunktpyrometriesensoren entsprechen. Die Ringe können aus einem oder mehreren Kalibrierungsmaterialien bestehen. Jedes der zwei Erkennungsverfahren für (Ii1, Tm1) und (Ii2, Tm2), direkte Pyrometriestufenerkennung oder Laserreflexionsvermögen kann verwendet werden. In diesem Falle können die HeNe-Lasersonden in die Lichtleiter der Beleuchtungsvorrichtung gesetzt werden, um spezielle radiale Positionen auf der Waferrückseite zu betrachten (die gleiche Struktur wie die der Pyrometerlichtleiter).
Unter Bezugnahme auf die Fig. 11a-b ist eine vierte bevorzugte Ausführungsform zu erkennen, bei der zwei getrennte drahtlose Kalibrierungswafer verwendet werden. Die Wafer 30A und 30B können so hergestellt werden, wie es oben mit Bezug auf die erste bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde und wie es in der Fig. 2 dargestellt ist. Die Kalibrierungsinseln 36A und 36B sitzen innerhalb der Kapselungsschichten 38A bzw. 38B. Die Kapselungsschichten 38A und 38B sind von dem Substrat 28A bzw. 28B durch Zwischenschichten 32A bzw. 32B getrennt. Die Passivierungsschichten 40A und 40B bedecken die Wafer 30A bzw. 30B. Jedoch weist jeder Wafer ein anderes Kalibrierungsmaterial auf. Während des Betriebs werden Ii1 und Tm1 unter Verwendung des ersten Wafers durch eine der beiden oben beschriebenen Erkennungsverfahren bestimmt. Ii2 und Tm2 werden unter Verwendung des zweiten Wafers bestimmt. Wenn (Ii1, Tm1) und (Ii2, Tm2) bekannt sind, können die Steigung und die Achsenverschiebung gemäß den Gleichungen (6) und (7) berechnet werden.
Obwohl diese Erfindung mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist diese Beschreibung nicht in einem beschränkenden Sinn auszulegen. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der beispielhaften Ausführungsformen und andere Ausführungsformen der Erfindung werden für Fachleute auf dem Gebiet unter Bezugnahme auf die Beschreibung offenbar werden. Die beigefügten Ansprüche sollen sämtliche solche Modifikationen oder Ausführungsformen miteinschließen.

Claims

1. Vorrichtung zum Kalibrieren wenigstens eines Temperatursensors, bei der der wenigstens eine Temperatursensor so betrieben werden kann, daß er eine temperaturabhängige Eigenschaft der Vorrichtung erkennt und ein Signal entsprechend der temperaturabhängigen Eigenschaft ausgibt, wobei die Vorrichtung einen Wafer (30; 62; 112) umfaßt und durch mehrere Kalibrierinseln (36) aus einem Material mit einem vorherbestimmten Schmelzpunkt gekennzeichnet ist, so daß beim Betrieb während eines Kalibrierprozesses bei einer dem Schmelzpunkt entsprechenden Wafertemperatur eine sprunghafte Änderung der temperaturabhängigen Eigenschaft auftritt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Temperatursensor ein Pyrometer ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, die darüber hinaus eine Strahlungsquelle (116) zum Richten eines Strahls aus Strahlung auf den Waf er (112) und eine Reflexionsmeßvorrichtung umfaßt, wobei die Quelle (116) so betrieben werden kann, daß während des Kalibrierdurchlaufs eine sprunghafte Änderung des Ausgangssignals der Reflexionsmeßvorrichtung entsprechend der sprunghaften Änderung der temperaturabhängigen Eigenschaft bei einer dem Schmelzpunkt entsprechenden Wafertemperatur hervorgerufen wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wafer umfaßt:

ein Substrat (28);

eine Zwischenschicht (32), die an das Substrat (28) angrenzt und über dem Substrat (28) liegt und dazu dient, das Substrat vor Kontaminierung und thermischen Reaktionen zu schützen;

mehrere erste Kalibrierinseln (36), die an die Zwischenschicht (32) angrenzen, und

eine erste Kapselungsschicht (38), die an die Kalibrierinseln (36) angrenzt, um die Kalibrierinseln (36) zu verschließen und die Form und Unversehrtheit der Kalibrierinseln (36) während der Kalibrierung zu erhalten.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, die darüber hinaus eine Passivierungsschicht (40) über der ersten Kapselungsschicht (38) umfaßt, um die Kalibrierinseln (36) vor Degradation in reaktiven Umgebungen zu schützen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, die darüber hinaus umfaßt:

mehrere zweite Kalibrierinseln (46), die an die erste Kapselungsschicht (38) angrenzen, wobei die zweiten Kalibrierinseln (46) aus einem anderen Material als die ersten Kalibrierinseln (36) bestehen, und wobei die zweiten Inseln (46) einen vorherbestimmten Schmelzpunkt aufweisen, so daß beim Betrieb während des Kalibrierprozesses eine zweite sprunghafte Änderung der temperaturabhängigen Eigenschaft bei einer dem Schmelzpunkt der zweiten Kalibrierinseln (46) entsprechenden Wafertemperatur auftritt; und

eine zweite Kapselungsschicht (48), die zwischen den zweiten Kalibrierinseln (46) und der Passivierungsschicht (40) liegt, um die zweiten Kalibrierinseln (46) zu verschließen und deren Unversehrtheit zu erhalten.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei der die Zwischenschicht (32), die erste Kapselungsschicht (38) und die Passivierungsschicht (40) aus Siliziumnitrid bestehen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei der die erste Kapselungsschicht (38) und die Passivierungsschicht (40) aus Siliziumdioxid bestehen.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kalibrierinseln (36, 46) ein Material, das aus der Gruppe, die Germanium, Zinn, Aluminium und Antimon enthält, stammt, umfaßt oder eine Legierung daraus umfaßt.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kalibrierinseln mehrere Kalibrierringe (60) umfassen.

11. Verfahren zum Kalibrieren wenigstens eines Temperatursensors, das die folgenden Schritt umfaßt:

a) Vorsehen eines Wafers (30; 62; 112) mit mehreren ersten Kalibrierinseln (36) aus einem vorherbestimmten Material mit einem Schmelzpunkt;

b) Stufenweises Ansteigenlassen der Temperatur des Wafers (30; 62; 112),

c) Messen einer temperaturabhängigen Eigenschaft des Wafers (30; 62; 112) mit dem wenigstens einen Temperatursensor, während die Wafertemperatur für jeden zu kalibrierenden Temperatursensor geändert wird;

d) Erkennen einer ersten sprunghaften Änderung der temperaturabhängigen Eigenschaft entsprechend einer Wafertemperatur, die dem Schmelzpunkt der ersten Kalibrierinseln (36) entspricht, für jeden zu kalibrierenden Temperatursensor;

e) Berechnen der Kalibrierparameter für jeden zu kalibrierenden Temperatursensor.

12. Verfahren nach Anspruch 11, das darüber hinaus umfaßt: Vorsehen des Wafers (30; 62; 112), der mehrere zweite Kalibrierinseln (46) aus einem Material aufweist, das sich von dem der ersten Kalibrierinseln (36) unterscheidet und darüber hinaus einen zweiten vorherbestimmten Schmelzpunkt aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, das darüber hinaus für jeden zu kalibrierenden Temperatursensor den Schritt des Erkennens einer zweiten sprunghaften Änderung der physikalischen Eigenschaft entsprechend einer Waf ertemperatur, die gleich dem Schmelzpunkt der zweiten Kalibrierinseln (46) ist, umfaßt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem der Schritt des Messens der temperaturabhängigen Eigenschaft das Messen des Oberflächenreflexionsvermögens umfaßt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, das darüber hinaus umfaßt:

Richten eines Strahls aus Strahlung auf den Wafer (112);

Messen des Waferreflexionsvermögens an einem Punkt, auf den jeder Strahl gerichtet ist;

Erkennen einer ersten sprunghaften Änderung der erfaßten Reflexion entsprechend einer Wafertemperatur, die dem Schmelzpunkt der Kalibrierinseln entspricht;

Bestimmen eines ersten Strompegels des Signals entsprechend einer ersten sprunghaften Änderung;

Berechnen der Kalibrierparameter für jeden zu kalibrierenden Temperatursensor.